本文用“类比”的方法.结合水的基本现象谈电的基本概念,可以让初学者能够更好地理解电,印象也深刻。

1.电阻

电阻是导体对电流的阻碍作用。阻值的大小是导体对电流的阻碍能力的强弱。不同的导体其电阻值也不尽相同,这是导体的一种自然属性。从R=pL/S得知阻值的大小与导体的材料有关,与该导体的长度成正比,与该导体的横截面成反比。

做如下实验:取两块木板,材料相同,长度、宽度完全相同。木板正中心位置同样开孔,只是一个孔大些,一个孔小些,如图1所示。将它们直立在水中划动,作用力的方向与木板在水中划动时所受阻力方向相反,孔大的木板要比孔小的木板在水中划动时所受阻力要小些,因为用同样的力,使两木板在水中划动,孔小的所能通过的水量没有孔大的所能通过的水量多,实际是孔小的比孔大的木板相对的水流表面更大些,阻力自然也就大些了,这样验证电阻值大的导体对电流的阻碍能力就强些。

用这样的“类比”十分形象地反映了电阻、电流的相互关系,得出结论为:阻值小的导体对电流的阻碍能力就弱些,阻值大的导体对电流的阻碍能力就强些。此实验中木板对水流的阻力类比电阻,水流类比电流,木板在水中划动需要克服木板对水的阻力,消耗一部分功。如果加快两块木板在水中的运动速度,则孔小的木板所流过的水量在单位时间内就没有孔大的木板所流过的水量多。

而电也是相似的,电流从导体流过也需要消耗功,导体中Q=pt=I2Rt(Q为电能),流经导体的电流在该导体中所做的功,也就是电流在该导体中所消耗的能量。同样的材料,同等的环境,所能通过的电流越多,根据焦耳定律在该导体中所产生的热量及消耗的功也就越多。电能在线路中的损耗与流经的电流平方及该线路自身电阻有直接的关系,与电压并无直接的关系。为了远距离传输电能,把电流尽量的减小,而电压尽量的提高(只要保证电能传输前的电压与电流的积与传输到目的地的电压与电流的积基本不变就可以实现了)。高压输电线就是为了克服长距离输电在线路上的电能损耗,这是采用高电压输送电能的原因。电阻是导体的一种自然属性,是导体就有电阻存在(在特定条件下形成的超导除外)。当然不能和水完全一样,在这里只是类比,目的是使初学者容易理解。

用这种物理上称为“类比”的方法会使初学者更容易理解。

2.电压

电压是电路中两点间的电位差,其参考点的不同就得到不同的电压数值。一个完整的动力供电系统是由三根相线和一根中性线组成的,三根相线的相位互差120°,又称三相四线系统。我国220V的市电就是从380V的动力电中选取任意一相线作为火线,与这个动力线的共用的中性线作为零线,它们之间的电位差即为220V(相线与相线之间为380V,任一相线与中性线之间的电位即为220V)。

作为同一电位因为所取参考点的不同会得到不同的电压数值。“类比”在河中间的拦河大坝,水位高时水对大坝的压力就大些,水位越高大坝所承受的压力就越大,大坝也就越危险,水位高到一定程度大坝会坍塌,水位低时水对大坝的压力也就小些。电压也是这样,额定情况下电压越高越危险,高到一定程度会损坏原有的绝缘,把绝缘击穿,这也相当于上述越往水深处压力就越大越会发生危险。还有在不同的水深处,水的压力是不一样的,这和电所选取参考点测量电压数值也基本一致,这也是水和电的共性,这样的类比,同样使初学者很容易理解电压的特征,所以这里把电压类比水压。

3.电流

电流是在导体中流过单位时间的电量。“类比”为在水压一定时,用内径较小的管子和用内径较大的管子在同一时间内流出的水量是不一样的,从而悟出导体的截面与通过的电流有一定的关系。截面小的导体所能通过的电流就相对小些,反之,截面大的导体所通过的电流就相对要大些(上述实验也能说明两木板在水中划动速度一样的情况下,从各个孔所流过的水量也是不一样的)。另外,在管壁强度和水压都一定的情况下,细的管子很容易爆裂。当电流通过导体时,在额定值以下是安全的,超过额定值也就是超过此材料在此环境时的承受能力,也就是说类比水在管子内压力超过该材料的允许能力。

同理,通过导线的电流都一定的情况下,线径越小越会发热被损坏。道理很简单:因为电线本身存在一定的电阻,根据“焦耳定律”在电线上产生越来越多积聚的热量,使电线发热而烧坏。这样的类比也同样使初学者很容易理解。

任何导体都有电阻(除特定条件下形成的超导现象),只是不同的导体对电流的阻碍能力有所不同。在电路中,导体的电阻限制了电流的流动,同时也消耗了一部分电能。正是因为电阻的存在使导体的两端产生了电位差。导线越长,阻值越大,远距离供电中,输电线路采用高压输电,目的是减少电能在输电线路上的损失,比如:给水施加一定的压力,水会流得更快些,因此水和电有类似之处。

事实上,还有其它的物理量和定理也可以应用“类比”的方法来帮助初学者理解和领会再到运用。比如基耳霍夫第一定律就完全可以运用水来类比,如图2所示。由图2可以直观的反映出电流和水流的相似之处。

以上是笔者在实际中的一点见解,可能会有不妥之处。还望同仁批评指正!